Forskare har ägnat mer än tre decennier åt att utveckla och studera miniatyrbiosensorer som kan identifiera enskilda molekyler. Om 5 till 10 år, när sådana anordningar kan bli en stapelvara på läkarmottagningar, de kunde upptäcka molekylära markörer för cancer och andra sjukdomar och bedöma effektiviteten av läkemedelsbehandling för att bekämpa dessa sjukdomar.

För att få det att hända och för att öka noggrannheten och hastigheten för dessa mätningar, forskare måste hitta sätt att bättre förstå hur molekyler interagerar med dessa sensorer. Forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST) och Virginia Commonwealth University (VCU) har nu utvecklat ett nytt tillvägagångssätt. De rapporterade sina resultat i det aktuella numret av Vetenskapens framsteg.

Teamet byggde sin biosensor genom att göra en konstgjord version av det biologiska materialet som bildar ett cellmembran. Känd som ett lipiddubbelskikt, den innehåller en liten por, cirka 2 nanometer (miljarddelar av en meter) bred i diameter, omgiven av vätska. Joner som är lösta i vätskan passerar genom nanoporen, genererar en liten elektrisk ström. Dock, när en molekyl av intresse drivs in i membranet, det blockerar delvis strömflödet. Varaktigheten och omfattningen av denna blockad fungerar som ett fingeravtryck, identifiera storleken och egenskaperna hos en specifik molekyl.

För att göra exakta mätningar för ett stort antal enskilda molekyler, molekylerna av intresse måste stanna i nanoporen under ett intervall som varken är för långt eller för kort (”Goldilocks”-tiden), allt från 100 miljondelar till 10 tusendelar av en sekund. Problemet är att de flesta molekyler bara stannar i den lilla volymen av en nanopor under detta tidsintervall om nanoporen på något sätt håller dem på plats. Det betyder att nanoporemiljön måste ge en viss barriär – t.ex. tillägget av en elektrostatisk kraft eller en förändring i nanoporens form - som gör det svårare för molekylerna att fly.

Den minsta energi som krävs för att bryta barriären skiljer sig för varje typ av molekyl och är avgörande för att biosensorn ska fungera effektivt och exakt. Att beräkna denna kvantitet innebär att man mäter flera egenskaper relaterade till molekylens energi när den rör sig in i och ut ur poren.

Kritiskt, Målet är att mäta om interaktionen mellan molekylen och dess omgivning huvudsakligen uppstår från en kemisk bindning eller från molekylens förmåga att vicka och röra sig fritt under hela infångnings- och frisättningsprocessen.

Tills nu, tillförlitliga mätningar för att extrahera dessa energirika komponenter har saknats av ett antal tekniska skäl. I den nya studien, ett team ledd av Joseph Robertson från NIST och Joseph Reiner från VCU visade förmågan att mäta dessa energier med en snabb, laserbaserad uppvärmningsmetod.

Mätningarna måste utföras vid olika temperaturer, och laservärmesystemet säkerställer att dessa temperaturförändringar sker snabbt och reproducerbart. Det gör det möjligt för forskare att genomföra mätningar på mindre än 2 minuter, jämfört med de 30 minuter eller mer det annars skulle kräva.

"Utan detta nya laserbaserade värmeverktyg, vår erfarenhet tyder på att mätningarna helt enkelt inte kommer att göras; de skulle vara för tidskrävande och kostsamma, " sade Robertson. "I huvudsak, vi har utvecklat ett verktyg som kan förändra utvecklingspipelinen för nanopore-sensorer för att snabbt minska gissningarna involverade i sensorupptäckt, " han lade till.

När energimätningarna är utförda, de kan hjälpa till att avslöja hur en molekyl interagerar med nanoporen. Forskare kan sedan använda denna information för att bestämma de bästa strategierna för att detektera molekyler.

Till exempel, överväga en molekyl som interagerar med nanoporen främst genom kemiska – huvudsakligen elektrostatiska – interaktioner. För att uppnå fångsttiden för Goldilocks, forskarna experimenterade med att modifiera nanoporen så att dess elektrostatiska attraktion till målmolekylen varken var för stark eller för svag.

Med detta mål i åtanke, forskarna visade metoden med två små peptider, korta kedjor av föreningar som bildar byggstenarna i proteiner. En av peptiderna, angiotensin, stabiliserar blodtrycket. Den andra peptiden, neurotensin, hjälper till att reglera dopamin, en signalsubstans som påverkar humöret och som också kan spela en roll vid kolorektal cancer. Dessa molekyler interagerar med nanoporer främst genom elektrostatiska krafter. Forskarna satte in nanopartiklar av guld i nanopore med ett laddat material som ökade den elektrostatiska interaktionen med molekylerna.

Teamet undersökte också en annan molekyl, polyetylenglykol, vars förmåga att röra sig avgör hur mycket tid den tillbringar i nanoporen. Vanligtvis, denna molekyl kan vicka, rotera och sträcka fritt, obehindrat av sin omgivning. För att öka molekylens uppehållstid i nanoporen, forskarna ändrade nanoporens form, vilket gör det svårare för molekylen att tränga sig igenom den lilla håligheten och gå ut.

"Vi kan utnyttja dessa förändringar för att bygga en nanopore biosensor skräddarsydd för att detektera specifika molekyler, " säger Robertson. Till slut, ett forskningslaboratorium skulle kunna använda en sådan biosensor för att identifiera biologiska molekyler av intresse eller så kan en läkarmottagning använda enheten för att identifiera markörer för sjukdom.

"Våra mätningar ger en ritning för hur vi kan modifiera interaktionerna mellan porerna, oavsett om det är genom geometri eller kemi, eller någon kombination av båda, att skräddarsy en nanoporsensor för att detektera specifika molekyler, räknar ett litet antal molekyler, eller båda, sa Robertson.

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.